(57)【要約】【課題】単純な構成で商用電源への逆潮流を防ぎつつ燃料電池の運転を継続することができる燃料電池ユニットを提供すること。【解決手段】燃料電池ユニット１は、商用電源８０と連系して電力負荷９０に供給する電力を発生させる燃料電池１３と、燃料電池１３で発生した電力のうち余剰電力を消費する余剰電力消費装置１４と、燃料電池１３及び余剰電力消費装置１４を収容する筐体１６とを備え、余剰電力消費装置１４は余剰電力で発熱する電気ヒータ１４ｈを有し、筐体１６は空気を取り込む吸気口１６ａと吸気口１６ａから取り込んだ空気を排出する排気口１６ｂとが形成されており、余剰電力消費装置１４が排気口１６ｂの近傍に配設されている。これにより、燃料電池１３で発生した余剰電力を余剰電力消費装置１４で消費しつつ電気ヒータ１４ｈで発生した熱を筐体１６外へ速やかに排出することができる。【選択図】図１
2010165640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源と連系して電力負荷に供給する電力を発生させる燃料電池と；
前記燃料電池で発生した電力のうち余剰電力を消費する余剰電力消費装置であって、前記余剰電力で発熱する電気ヒータを有する余剰電力消費装置と；
前記燃料電池及び前記余剰電力消費装置を収容する筐体であって、空気を取り込む吸気口と前記吸気口から取り込んだ空気を排出する排気口とが形成された筐体とを備え；
前記余剰電力消費装置が前記排気口の近傍に配設された；
燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記余剰電力消費装置が、前記筐体内の空気を前記排気口から排出させる前記余剰電力で作動する空気流動装置を含んで構成された；
請求項１に記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記余剰電力を前記電気ヒータと前記空気流動装置とに按分する余剰電力分配装置を備える；
請求項２に記載の燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池ユニットに関し、特に単純な構成で商用電源への逆潮流を防ぎつつ燃料電池の運転を継続することができる燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。一般に、燃料電池は商用電源に連系され、燃料電池における発電電力を電力負荷の消費電力よりも所定量だけ少なくしつつ不足分の電力を商用電源から供給し、電力負荷の消費電力の変動分は商用電源で吸収している。そして、燃料電池は、その特性上、出力を急激に変化させることが困難であるため、電力負荷の消費電力が急激に減少した場合には燃料電池の出力が電力負荷の消費電力を上回る状態が起こりうる。電力供給の安定化の観点から逆潮流を認めていない電力会社も多く存在することを背景に、余剰となった燃料電池の出力が逆潮流することを回避すべく、燃料電池で発生した余剰電力を消費する電気ヒータを設け、余剰電力を電気ヒータで熱に変えてこれを水を媒体として蓄熱して有効利用する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７６９４３号公報（段落００１１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の逆潮流防止用の電気ヒータは水に接する電気機器であるため、水と接する部分の電気絶縁を確実に行うための構造が複雑になる。また、排熱を蓄える蓄熱槽がもはや蓄熱できない状態になっている場合は燃料電池の運転が継続不能となる。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、単純な構成で商用電源への逆潮流を防ぎつつ燃料電池の運転を継続することができる燃料電池ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、商用電源８０と連系して電力負荷９０に供給する電力を発生させる燃料電池１３と；燃料電池１３で発生した電力のうち余剰電力を消費する余剰電力消費装置１４であって、余剰電力で発熱する電気ヒータ１４ｈを有する余剰電力消費装置１４と；燃料電池１３及び余剰電力消費装置１４を収容する筐体１６であって、空気を取り込む吸気口１６ａと吸気口１６ａから取り込んだ空気を排出する排気口１６ｂとが形成された筐体１６とを備え；余剰電力消費装置１４が排気口１６ｂの近傍に配設されている。
【０００７】
このように構成すると、燃料電池で発生した余剰電力を余剰電力消費装置で消費しつつ電気ヒータで発生した熱を筐体外へ速やかに排出することができ、余剰電力が発生しても、単純な構成で商用電源への逆潮流を防ぎつつ燃料電池の運転を継続することができる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池ユニット１において、余剰電力消費装置１４が、筐体１６内の空気を排気口１６ｂから排出させる余剰電力で作動する空気流動装置１４ｆを含んで構成されている。
【０００９】
このように構成すると、空気流動装置で余剰電力を消費させつつ電気ヒータで発生した熱を空気流動装置で流動させた空気により強制的に筐体外へ排出することができ、筐体内の温度上昇を抑制しつつ商用電源への逆潮流を防ぐことができる。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、上記本発明の第２の態様に係る燃料電池ユニット１において、余剰電力を電気ヒータ１４ｈと空気流動装置１４ｆとに按分する余剰電力分配装置１８を備える。
【００１１】
このように構成すると、例えば余剰電力の量が大きく電気ヒータの出力が大きいときは空気流動装置の出力も大きくし、余剰電力の量が小さく電気ヒータの出力が小さいときは空気流動装置の出力も小さくするというように、余剰電力をその量に応じて適切に配分することができて、筐体内の温度を適切に維持しながら商用電源への逆潮流を防ぎつつ燃料電池の運転を継続することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池で発生した余剰電力を余剰電力消費装置で消費しつつ電気ヒータで発生した熱を筐体外へ速やかに排出することができ、余剰電力が発生しても、単純な構成で商用電源への逆潮流を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニットの逆潮流回避運転のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１５】
まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニット１を説明する。図１は、燃料電池ユニット１の概略構成図である。燃料電池ユニット１は、燃料電池１３と、燃料電池１３で発生した電力のうち余剰電力を消費する余剰電力消費装置１４と、制御装置１５とが、筐体１６に収容されて構成されている。また、筐体１６には、原料燃料供給装置１１及び燃料処理装置１２も収容されている。筐体１６には、燃料電池ユニット１を据え付けたときに下部となる一側面に、吸気口１６ａが設けられている。また、筐体１６には、燃料電池ユニット１を据え付けたときに上部となる、吸気口１６ａのほぼ対角線（吸気口１６ａからの距離が遠くなる箇所）の一側面に、排気口１６ｂが設けられている。
【００１６】
原料燃料供給装置１１は、燃料電池１３に供給される燃料ガスｇの原料である原料燃料ｍを燃料処理装置１２に供給する装置である。原料燃料ｍには、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料が用いられる。原料燃料供給装置１１は、燃料処理装置１２の改質触媒の硫黄被毒を避けるために原料燃料ｍから硫黄分を除去する脱硫器を備えている。また、原料燃料供給装置１１は、原料燃料ｍを燃料処理装置１２に送るためのブロワ又はポンプを備えている。原料供給装置１１は、原料燃料ｍを貯留するタンクを備えていてもよい。タンクを備えない場合は、外部の貯蔵タンクから原料燃料ｍを導入するように構成される。
【００１７】
燃料処理装置１２は、原料燃料ｍを導入し改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する装置である。水素に富む燃料ガスｇは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池１３に供給するガスである。燃料ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池１３に供給したときに酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。燃料処理装置１２は、原料燃料供給装置１１から送られてくる原料燃料ｍを導入し、改質剤としての改質用水を加え、原料燃料ｍを改質して生成された燃料ガスｇを燃料電池１３に供給するように構成されている。燃料処理装置１２は、改質触媒充填層を備えており、原料燃料ｍの水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、燃料処理装置１２は、改質に必要な改質熱を供給するための燃焼部を有している。燃焼部はバーナーを有し、可燃燃料と空気とを導入し燃焼させて改質熱を得ることができるように構成されている。可燃燃料には、原料燃料ｍや燃料電池１３から排出される水素を含有するアノードオフガスが用いられる。
【００１８】
燃料電池１３は、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入し、燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池１３は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池１３は、図では簡易的に示されているが、実際には、電解質である固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟んで単一のセルが形成され、この単層のセルが冷却部を介して複数積層されて構成されている。燃料電池１３では、燃料極に供給された燃料ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極に移動すると共に電子が燃料極と空気極とを結ぶ導線を通って空気極に移動して、空気極に供給された酸化剤ガス中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応で、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。反応後の燃料ガスｇはアノードオフガスとして燃料極から排出され、反応後の酸化剤ガスは生成された水分と共にカソードオフガスとして空気極から排出される。上述のように、燃料極から排出されたアノードオフガスは、燃料処理装置１２の燃焼部で燃焼される可燃燃料として利用される。
【００１９】
燃料電池１３の燃料極と燃料処理装置１２とは制御弁１９が配置された流路で接続されており、燃料処理装置１２で生成された燃料ガスｇを燃料電池１３の燃料極に供給することができるように構成されている。制御弁１９は、典型的には電動二方弁である。制御弁１９と制御装置１５との間には信号ケーブルが敷設されており、制御弁１９は制御装置１５からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。また、燃料電池１３には、発生した電力を電力負荷９０に向けて出力する出力ケーブル３３が接続されている。電力負荷９０は、燃料電池ユニット１外に設置された外部負荷である。出力ケーブル３３には、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（不図示）が設けられている。出力ケーブル３３の他端には、電力負荷９０に接続された負荷ケーブル３９が接続されている。出力ケーブル３３と負荷ケーブル３９との接続部には、商用電源８０から供給された電力を電力負荷９０に向けて伝搬する商用ケーブル３８が接続されている。商用ケーブル３８には、商用電源８０から供給された電力量を検出する電力計３８Ｍが配設されている。電力計３８Ｍは制御装置１５と信号ケーブルで接続されており、電力計３８Ｍで検出された電力値を信号として制御装置１５に送信することができるように構成されている。
【００２０】
余剰電力消費装置１４は、燃料電池１３で発生した電力が余剰となった場合にその余剰電力を消費することができる装置である。燃料電池１３で発生した電力が商用電源８０へ逆潮流するのを防止する観点から、電力負荷９０は全消費電力のうち少なくとも一定の最低電力が商用電源８０から供給されていることが好ましい。ここでいう余剰電力とは、電力負荷９０の全消費電力から前記最低電力を差し引いた電力を、燃料電池１３で発生した電力から差し引いた後の残りの電力である。最低電力は、例えば１００ｗとすることができるが、０ｗとしてもよい。余剰電力消費装置１４は、燃料電池１３で発生した電力で作動する電気ヒータ１４ｈ及び空気流動装置としてのファン１４ｆを有している。
【００２１】
電気ヒータ１４ｈはヒータケーブル３４ｈを介して余剰電力分配装置としての電力分配器１８に接続され、ファン１４ｆはファンケーブル３４ｆを介して電力分配器１８に接続されている。電力分配器１８は、余剰ケーブル３４を介して出力ケーブル３３に接続されている。電力分配器１８は、余剰ケーブル３４を介して供給された電力を、少なくともヒータケーブル３４ｈ及びファンケーブル３４ｆに分配する機器である。電力分配器１８は、制御装置１５と信号ケーブルで接続されており、制御装置１５からの指令信号に応じてヒータケーブル３４ｈ及びファンケーブル３４ｆに分配する電力の割合が変更可能に構成されている。余剰ケーブル３４は、典型的にはパワーコンディショナ（不図示）よりも燃料電池１３側の出力ケーブル３３に接続され、電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆが直流電力で作動するように構成されている。なお、余剰ケーブル３４がパワーコンディショナ（不図示）よりも電力負荷９０側の出力ケーブル３３に接続されて、電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆが交流電力で作動するように構成されていてもよい。
【００２２】
余剰電力消費装置１４は、排気口１６ｂの近傍に配設されている。ここで、排気口１６ｂの近傍とは、余剰電力消費装置１４から発生した熱を、収容されている他の機器に影響を及ぼさない温度に筐体１６内を維持できるように、適宜筐体１６の外へ排出することができる位置である。余剰電力消費装置１４は、典型的には、冷却が必要な他の機器（例えば制御装置１５等）よりも排気口１６ｂに近い位置に配設されている。さらに本実施の形態では、排気口１６ｂの直近に電気ヒータ１４ｈが設置され、電気ヒータ１４ｈに隣接した内側にファン１４ｆが設置されている。換言すると、電気ヒータ１４ｈは、排気口１６ｂとファン１４ｆとに挟まれた位置に設けられている。さらに、ファン１４ｆは、作動したときの空気の流れが排気口１６ｂに向かう向きで設置されている。このように構成されていることで、電気ヒータ１４ｈで発生した熱を筐体１６内にとどまらせずに速やかに筐体１６外へ排出することが可能となる。また、ファン１４ｆが作動することにより、吸気口１６ａから外気が導入され、吸気口１６ａから排気口１６ｂへの空気の流れが生じ、この際、吸気口１６ａと排気口１６ｂとがほぼ対角線上に設けられていることによって燃料電池ユニット１内に導入された外気がショートサーキットすることが回避されるように構成されている。なお、ファン１４ｆは、電気ヒータ１４ｈと排気口１６ｂとの間に配置されていてもよい（電気ヒータ１４ｈがファン１４ｆの吸い込み側に配置されていてもよい）。また、電気ヒータ１４ｈのまわりに、電気ヒータ１４ｈを通過した空気がすべて排気口１６ｂに導かれるようなフード（不図示）が設けられていてもよい。このようにすると、電気ヒータ１４ｈで発生した熱を確実に筐体１６外へ排出することが可能となる。
【００２３】
制御装置１５は、燃料電池ユニット１の運転を制御する機器である。制御装置１５は、制御弁１９及び酸化剤ガスを燃料電池１３に供給する酸化剤ガスブロワ（不図示）とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、制御弁１９の開度を調節して燃料電池１３に導入される燃料ガスｇの流量を制御すると共に、酸化剤ガスブロワ（不図示）の回転速度を調節して燃料電池１３に導入される酸化剤ガスの流量を制御することにより、燃料電池１３における発電電力（出力）を制御することができるように構成されている。また、制御装置１５は、原料燃料供給装置１１と信号ケーブルで接続されており、原料燃料供給装置１１から燃料処理装置１２へ供給される原料燃料ｍの流量を調節することができるように構成されている。また、制御装置１５は、電力計３８Ｍと信号ケーブルで接続されており、電力計３８Ｍで検出された値を信号として受信することができるように構成されている。
【００２４】
さらに、制御装置１５は、電力分配器１８と信号ケーブルで接続されており、電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆに供給される電力を調節することができるように構成されている。典型的には、電力計３８Ｍから受信した値を基にして、余剰となる燃料電池１３で発電された電力を適切に電気ヒータ１４ｈとファン１４ｆとに按分するように電力分配器１８が制御される。このとき、制御装置１５は、電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆに供給される電力が所定の比率で按分されるように電力分配器１８を制御することが好ましい。所定の比率は、典型的には、電気ヒータ１４ｈにおける発熱と、該発熱を筐体１６外に排出できるファン１４ｆの風量とがバランスするような比率である。
【００２５】
引き続き図１を参照して、燃料電池ユニット１の作用について説明する。原料燃料供給装置１１は、内部又は外部のタンクに貯蔵されている原料燃料ｍを脱硫器で脱硫した後、ブロワ又はポンプで燃料処理装置１２に圧送する。燃料処理装置１２では、供給された原料燃料ｍと、別に導入した改質用水とを改質触媒充填層に導き、燃焼部から改質熱を得て水蒸気改質反応が行われる。燃料処理装置１２で生成された水素に富む燃料ガスｇは、燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、燃料ガスｇと酸化剤ガスとしての空気とを導入し、燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する。また、電気化学的反応により熱が発生し、水分が生成される。詳しくは、燃料極側の電子が外部電気回路を通って空気極側に移動する際に電力を得ることができる。また、燃料極側の水素イオンは固体高分子膜を通過して空気極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。
【００２６】
燃料電池１３で発生した直流電力は、パワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換された後、出力ケーブル３３及び負荷ケーブル３９を介して電力負荷９０に供給される。他方、電力負荷９０には、商用電源８０から供給された電力も商用ケーブル３８及び負荷ケーブル３９を介して供給される。すなわち、電力負荷９０には、燃料電池１３で発生した電力と商用電源８０から供給された電力とが送電される。典型的には、まず、燃料電池１３で発生した電力のうち、燃料電池ユニット１の補機類の作動に用いられる分を除いた供給可能な電力すべてを電力負荷９０に供給し、不足分が商用電源８０から供給される電力で補われる。しかしながら、燃料電池１３で発生した電力が商用電源８０へ逆潮流するのを回避する観点から、制御装置１５は、電力計３８Ｍで検出された値を受信して商用電源８０から電力負荷９０へ所定の最低電力以上の電力が供給されるように監視し、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力未満になったときは、最低電力以上となるように制御弁１９の開度及び酸化剤ガスブロワ（不図示）の回転速度を調節して燃料電池１３の出力を制御する。このとき、燃料電池１３はその特性上急激に出力を変化させることが難しいことから、電力負荷９０の消費電力が急激に減少した場合は、燃料電池１３の出力低下が間に合わず、商用電源８０に逆潮流しうる余剰電力が発生することとなる。このような状況においても逆潮流を回避するため、燃料電池ユニット１は以下のように作動する。
【００２７】
図２は、燃料電池ユニット１の逆潮流回避運転のフローチャートである。上述のように、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力以上となるように燃料電池１３の出力を制御しつつも、制御装置１５は、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力未満になったか否かを判断する（ＳＴ１）。最低電力未満になっていない場合は電力計３８Ｍで検出された値が最低電力未満になったか否かを判断する工程（ＳＴ１）を続ける。他方、電力負荷９０の消費電力が急減した等の原因により、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力未満になった場合、制御装置１５は、電力分配器１８を介して余剰電力を電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆに供給する（ＳＴ２）。これにより、余剰電力が商用電源８０へ逆潮流することなく電気ヒータ１４ｈで消費されて熱に変わると共に、ファン１４ｆで消費されて送風エネルギーとなる。さらに、余剰電力が電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆに供給されることにより、電気ヒータ１４ｈで発生した熱がファン１４ｆで発生した気流により排気口１６ｂから筐体１６外へ排出されるため、筐体１６内が高温になって他の機器（例えば制御装置１５等）に悪影響を及ぼすことを回避することができる。
【００２８】
余剰電力を電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆに供給したら（ＳＴ２）、制御装置１５は、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力以上になったか否かを判断する（ＳＴ３）。最低電力以上になっていない場合は、引き続き電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆへの余剰電力の供給を行う（ＳＴ２）。他方、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力以上になった場合、制御装置１５は、電力分配器１８を介して電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆへの通電を遮断する（ＳＴ４）。なお、燃料電池ユニット１の運転中における筐体１６内の温度上昇を抑制する観点から、電力計３８Ｍで検出された値が最低電力以上になった後も含めて燃料電池ユニット１の運転中は、筐体１６内の温度上昇を抑制可能な風量でファン１４ｆを作動させておいてもよい。電気ヒータ１４ｈ及びファン１４ｆへの通電を遮断したら（ファン１４ｆへの供給電力は遮断せずに減少させる場合もある）、再び電力計３８Ｍで検出された値が最低電力未満になったか否かを判断する工程（ＳＴ１）に戻り、以降、上述のフローを繰り返す。
【００２９】
以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池ユニット１は、余剰電力を消費して発生した熱を、後に利用可能なように蓄えることをせずに、排出して無駄になっている部分がある。燃料電池ユニット１は、上述のように電力計３８Ｍで検出された値が最低電力以上を維持するように制御されることに加え、昨今では制御装置１５が学習機能を有して過去の実績に基づいた運転計画で運転するように制御されることが可能になり、余剰電力が発生する場面が少なくなっており、仮に余剰電力が発生しても比較的早期に余剰電力がなくなるようになっている。このような事情に鑑み、本実施の形態に係る燃料電池ユニット１では、エネルギーが多少無駄になったとしても逆潮流する可能性をより低減するような構成としたものである。また、余剰電力を熱に変えて空気搬送で筐体１６外に排出することにより、電気ヒータ１４ｈは水と接する部分がないため構造が複雑にならず、排熱を蓄える蓄熱槽がもはや蓄熱できない状態になっている場合でも燃料電池１３の運転を継続することができるという利点がある。
【００３０】
以上の説明では、燃料電池１３が固体高分子型燃料電池であるとしたが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料電池ユニット
１３  燃料電池
１４  余剰電力消費装置
１４ｆ  ファン（空気流動装置）
１４ｈ  電気ヒータ
１５  制御装置
１６  筐体
１６ａ  吸気口
１６ｂ  排気口
１８  電力分配器（余剰電力分配装置）
８０  商用電源
９０  電力負荷
【図１】
2010165640.tif 000003
【図２】
2010165640.tif 000004